誘電体
電流の流れ方に応じて、物体は導体、半導体、絶縁体に分類される。
絶縁体は電気を通さないため、感電防止の被覆に利用されたりする。
絶縁体が電気を通さないのは、物質内部に自由電子を持っていないからだ。
外部から電圧が加わると、絶縁体は電流が流れない代わりに、分極(後述)という現象が起きる。
分極や分極によって生じる絶縁体の働きを検討する場合、絶縁体とは言わずに誘電体という。
絶縁体とは別に誘電体という物質群が存在するのではない。
真空中で、距離rを隔て、二つの電荷q 1、q2が存在する場合、二つの電荷の間には、以下の式に従うクーロン力が働く。
ε0は真空の誘電率だ。
「真空中で」と書いたことには、理由がある。
二つの電荷の間が誘電体で満たされていた場合、クーロン力Fの値が変わってくるのだ。
例えば、q1、q2が真空中にある場合と、水中にある場合とを比較すると、水中において生じるクーロンFの大きさは、真空中に比べて約１/80となる。
これは水(正確には蒸留水)の誘電率εが、真空の誘電率ε0の80倍に相当するからだ。
誘電率εの値は物質ごとに異なる。
各物質の誘電率εの値を調べようとしても、理科年表には記載されていない。
理科年表には誘電率ではなく、比誘電率が記載されているのだ。
なお、理科年表での比誘電率はkεで表現されている。
ここでは、他の書籍との整合のため、εrとする
比誘電率εrとは、ある物質の誘電率εを真空の誘電率ε0で割った値だ。
εrは、ある物質の誘電率εの値がε0の何倍であるかを示している。
または、電荷間に作用する力が、真空中に対して何分の1になるかという値でもある。
蒸留水中での力は、真空中での約1/80なので、蒸留水の比誘電率εrは80である。
比誘電率εrが大きい物質ほど、その物質をまたいで作用するクーロン力は小さい。
力Ｆも電場の強さEも真空中に比較して、１/εrになるのだ。
真空中での比例定数を以下のように決め、ε0を真空の誘電率とした。(「電気力線の数」参照)
この関係は真空中に限定せず、他の物質に対しても適用できる。もちろん誘電率は物質ごとに固有の値となる。
真空中の場合は０(ゼロ)をつけたが、真空以外の場合は０(ゼロ)を省く。
比誘電率も物質ごとに固有の値を持ち以下の関係がある。
k=(1/εr)k0
この関係より、各物質の誘電率、比誘電率と真空の誘電率には以下の関係が導きだせる。
ε=εrε0
「ある物質の"誘電率"は、"真空の誘電率"に、その物質の"比誘電率"をかけた値ですよ」ということだ。
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2005/06/18
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